空间是一种什么样的存在?

三体中有一种航天器叫曲率航天器。曲率飞船由特殊的发动机驱动,可以改变飞船前后的空间曲率,使飞船前面的空间曲率与后面的空间曲率不一致。

在空间曲率引力的驱动下,飞船理论上可以达到接近光速的速度。

这个曲率飞船是基于现有理论的技术,还是作者纯属臆想?

《三体》是一部科幻小说,建立在现有的科学基础之上,不是一部纯粹虚构的小说。

科幻小说最重要的一点就是“逻辑自洽”,也就是说现阶段还没有这样的技术,但是必须根据现有的技术进行合理的推导。

那么曲率飞船是什么技术,如何用现有的科学技术合理推导出来?

这其实可以从我们学过的最基础的几何知识说起。

在我国,师范生从初中开始学习几何,我们称之为欧几里得几何,即欧氏几何。

欧几里得几何实际上是一位名叫欧几里得的希腊数学家在他的著作《几何原本》中提出的知识。

《几何原本》是欧洲的数学基础。为了纪念欧几里德的贡献,称之为欧几里德几何。

欧几里得在《几何原本》中首先提出了五个公设,也就是现在的五个公理,也就是说公认的定理是显而易见的。

这五个公理是:

公理1:可以从任意点到任意其他点画一条直线。

公理2:有限线段可以连续延伸。

公理3:可以在任意点任意距离画圆。

公理4:所有直角都相等。

公理5:一条直线与另两条直线相交于同一平面。如果某一边的两个内角之和小于两个直角之和,则两条直线无限延伸后相交于该边。

这五个公理的前四个都是非常简单的描述,显而易见。

第五个公理很复杂,但也带有假设。它与前四个公理有着天壤之别,又是如此的与众不同,如此的出众,就像黑暗中的一只萤火虫。

后来的数学家约翰·普莱费尔(John playfair)将第五公理简化为:给定一条直线,在这条直线之外的任意一点,只有一条直线与其平行。

通过欧几里得前四公里的严密推导,可以得出一系列逻辑结论,现代数学的许多基础都来自于此。

但是,这个第五公理却让很多数学家感到困惑,因为他们无法直接证明第五公理的正确性。

因此,第五公理曾被数学家称为不可证明的公理,被称为欧洲几何的“脏衣服”。

人类对真理的追求是无止境的。面对这个几何丑闻,很多数学家不服气,不得不去证明。

19世纪后,当时俄国出现了一位天才数学家罗巴切夫斯基。

罗巴切夫斯基19岁获得俄国喀山大学硕士学位,35岁出任喀山大学校长。

俄罗斯喀山大学是俄罗斯最好的高等学府之一,相当于中国清华北大的地位。

当然,俄罗斯这位天才数学家也担心几何的脏衣服——第五公理。

在多次试图证明第五公理失败后,罗巴切夫斯基开始用归谬法来证明它。

也就是我们假设给定一条直线,至少有两条直线通过这条直线外的任意一点与它平行。

然后根据这个假设的公理和前四个公理,经过严格的逻辑推导,推导出一套全新的没有矛盾的结论。

还有一个与欧几里德相反的结论:三角形的内角之和小于180。

要知道,在19世纪,欧几里得几何在数学界一统天下的时候,欧几里得几何是当时数学的权威。

罗巴切夫斯基的结论在当时绝对令人震惊。

有时候人对科学的信仰和对上帝的信仰是一样的,都是盲目的。

对此,罗巴切夫斯基没有任何畏惧,而是直接将自己的理论公之于众,后人称之为“罗氏几何”。

罗巴切夫斯基以为这个世界不会给他太多的赞美,但他没想到的是,即使没有赞美,这个世界对他的嘲讽也是如此激烈。

科学界批判他,数学界嘲讽他,甚至媒体双标他,相当于现代被“互联网炸了”。

当时有一本著名的俄罗斯杂志《祖国之子》,只允许有人在杂志上辱骂罗巴切夫斯基,而不允许他在杂志上反击或为自己辩护。

而喀山大学剥夺了他作为校长的权力,让他不再担任校长。

当然,罗巴切夫斯基曾经向俄国求助。毕竟他证明的理论都是正确的。他相信这个世界上仍然有人相信真理。

于是他向当时德国的数学王子高斯求助。

事实上,数学王子高斯当时确实找到了与罗巴切夫斯基相似的结论,但高斯是个聪明人,他不想在有生之年被无休止地嘲讽。他想继续做快乐王子,所以选择默默写在笔记里,没有公开发表。

高斯所做的唯一一件事是选举罗巴切夫斯基为哥廷根皇家科学院传播学院的成员,而没有公开支持罗巴切夫斯基。

最终,罗巴切夫斯基在无尽的嘲讽中加上了年老,于1856年抑郁而死。

真理不能被埋没。

罗巴切夫斯基去世12年后,意大利数学家贝特拉米发表了著名论文《解释非欧几何的尝试》,证明了非欧几何可以在欧氏空间的曲面上实现。

从此,罗巴切夫斯基在媒体上彻底翻盘,直接变成了数学界的“哥白尼”!

这个世界真是变化无常。

如前所述,欧几里德几何中的黎曼第五公理是:给定一条直线,在这条直线之外的任意一点,只有一条直线与其平行。

罗氏几何假设给定一条直线,至少有两条直线通过这条直线外的任意一点,并与之平行。

那么,有没有可能给定一条直线,在这条直线之外的任何一点都没有直线与它平行?

别说,有!

1854年,高斯的学生黎曼对第五公理做了这样一个假设,他认为平行线是不存在的。

换句话说,在穿过直线外的一点时,不可能找到与之平行的直线。

据此,黎曼还推导出一个全新的理论,并发表在他的论文《论以几何为基础的假设》中。

从此,几何学出现了一个新的领域。

然而,黎曼很幸运,他在德国没有受到嘲笑,但这个全新的理论很快得到了当时德国科学界的认可。

在此基础上,他发展了微分几何、代数拓扑和多重复交函数等数学学科,这些学科也被爱因斯坦用于广义相对论中。

黎曼几何中有一个重要概念,即“常曲率空间”。

常曲率空间有三种情况,小于零,等于零,大于零。

这三种情况分别对应欧几里德几何、罗氏几何和黎曼几何。

这样就形式上完美地构成了几何族,可以合理地解释各种情况。

现在科学界一般分为欧几里德几何和非欧几里德几何。欧几里得几何是欧几里得几何,非欧几里得几何是罗氏几何和黎曼几何的统称。

欧几里得几何适用于日常生活,罗氏几何适用于宇宙空间和微观原子空间,黎曼几何适用于地球表面的导航和航空等实际问题。

不知道大家有没有注意到,其实我们在生活中看到的很多平面,看起来都是绝对的平面,平的不能再平了。

但实际上并不平坦。

比如水平面,我们在建的高层建筑里的平面。

看起来都是平的,实际上只是垂直于地心,是圆的,只是曲率可以忽略不计,当作平面对待。

在地球上,在宇宙中,相对于平面,圆形的东西(包括椭圆)其实才是常态。

原子是圆的,围绕原子运行的电子也是圆的,地球是圆的,地球围绕太阳运行的轨道也是圆的。

不仅如此,太阳也是圆的,太阳系绕银河系中心的自转也是圆的。

整个星系,如果旋转的话,也应该是圆形轨道。

从微观粒子到宏观宇宙,基本都是圆的,很少有所谓的绝对平面。

1915年,爱因斯坦广义相对论正式完善,爱因斯坦场方程正式发表。

根据爱因斯坦的广义相对论,引力是由时空弯曲引起的。

我们知道,一切物体都是相互吸引的,也就是说,一切物体之间都有引力。

所以在宇宙中,无论你在哪里,你其实都在引力场中。

而引力场中的时空是弯曲的。

文章开头提到的曲率飞船就是基于这样的理论设计的。

通过某种手段,改变飞船弯曲前后的时空曲率,使飞船前方的时空能够吸引飞船前进。

理论上,这可以使飞船以接近光速的速度移动。

而且根据爱因斯坦的时空谬误,飞船里的时间会变慢,是因为人坐在弯曲的飞船上的速度接近光速。

从那以后,航天飞机变得不那么耗时了,只需要很少的时间就可以到达遥远的宇宙深处。

以上是我对曲率飞船和宇宙的看法。你有其他想法吗?